Arduino - I/O 函数

Arduino - 基本 I/O 函数

通用输入/输出（GPIO，General-Purpose Input/Output）引脚是您的 Arduino 与物理世界之间的桥梁。您可以将它们配置为读取环境信息（输入）或控制设备（输出）。本章涵盖了管理数字和模拟 I/O 的基本函数。

使用 `pinMode()` 配置引脚

在使用引脚之前，您必须告知 Arduino 它的用途。pinMode() 函数通常在 setup() 中调用，用于将特定引脚配置为输入或输出模式。

`pinMode()` 语法

pinMode(pinNumber, mode);

pinNumber：您要配置的引脚编号（例如 13 或 A0）。
mode：要设置的模式。最常见的三种模式是：
- INPUT：将引脚配置为读取信号，例如来自传感器或开关的信号。引脚处于高阻抗状态，这意味着它消耗的电流非常小。
- OUTPUT：将引脚配置为发送信号，例如点亮 LED 或启动电机。引脚处于低阻抗状态，能够提供显著电流。
- INPUT_PULLUP：一种特殊的输入模式，启用内置上拉电阻。这对于无需外部元件即可读取开关状态非常有用。

数字 I/O：使用 `HIGH` 和 `LOW`

数字 I/O 处理离散信号：开或关，1 或 0，HIGH（高电平）或 LOW（低电平）。在像 Uno 这样的 5V Arduino 上，HIGH 是 5V，LOW 是 0V。

`digitalWrite(pin, value)`

当引脚配置为 OUTPUT 模式时，digitalWrite() 将其设置为 HIGH 或 LOW。

`digitalRead(pin)`

当引脚配置为 INPUT 或 INPUT_PULLUP 模式时，digitalRead() 返回其当前状态，即 HIGH 或 LOW。

示例：按钮控制 LED

这个完整的 sketch 演示了如何使用 INPUT_PULLUP 来读取按钮并控制 LED。这是物理计算中的一个基本模式。

// 这个 sketch 读取引脚 2 上的按钮，并在按钮按下时打开引脚 13 上的 LED。

const int buttonPin = 2;      // 按钮连接的引脚
const int ledPin = 13;        // LED 连接的引脚

void setup() {
  // 将 LED 引脚初始化为输出模式
  pinMode(ledPin, OUTPUT);

  // 将按钮引脚初始化为带有上拉电阻的输入模式
  // 当按钮没有按下时，引脚读取 HIGH。
  // 当按钮按下时（连接到地），引脚读取 LOW。
  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);

  // 初始化串口通信，用于调试
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 读取按钮的状态
  int buttonState = digitalRead(buttonPin);

  // 将状态打印到串口监视器，查看发生了什么
  Serial.println(buttonState);

  // 检查按钮是否按下。如果按下，状态将是 LOW。
  if (buttonState == LOW) {
    digitalWrite(ledPin, HIGH); // 打开 LED
  } else {
    digitalWrite(ledPin, LOW);  // 关闭 LED
  }
}

模拟 I/O：使用值范围

数字信号是开/关的，而模拟信号可以在一个范围内取任意值。这对于读取测量连续值（如温度或光照强度）的传感器至关重要。

`analogRead(pin)`

此函数读取其中一个模拟输入引脚（A0、A1 等）上的电压。Arduino 具有一个 10 位模数转换器（ADC，Analog-to-Digital Converter），它将 0V 到 5V 之间的输入电压映射为 0 到 1023 之间的整数值。

`analogWrite(pin, value)` - PWM

Arduino 开发板无法产生真正的模拟电压输出。相反，它们使用脉冲宽度调制（PWM，Pulse-Width Modulation）来模拟。analogWrite() 会快速地在 HIGH 和 LOW 之间切换数字引脚。value（从 0 到 255）决定了引脚处于 HIGH 状态的时间百分比（占空比）。这可用于调暗 LED 或控制直流电机的速度。注意：analogWrite() 仅适用于标有波浪线（~）符号的引脚。

示例：用电位器渐变 LED

// 这个 sketch 使用电位器使 LED 渐亮渐灭。

const int potPin = A0;   // 连接电位器的模拟引脚
const int ledPin = 9;    // 连接 LED 的 PWM 引脚（必须带有 ~ 符号）

void setup() {
  // 模拟输入不需要 pinMode()
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 1. 读取电位器值（0 到 1023）
  int sensorValue = analogRead(potPin);
  Serial.print("Sensor = ");
  Serial.print(sensorValue);

  // 2. 将 10 位传感器值（0-1023）映射到 8 位 PWM 范围（0-255）
  int outputValue = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255);
  Serial.print(", Output = ");
  Serial.println(outputValue);

  // 3. 将映射后的值写入 PWM 引脚
  analogWrite(ledPin, outputValue);

  delay(20);
}

常见错误与最佳实践

浮空输入：如果您将引脚配置为 INPUT 模式但未连接任何东西，它将处于“浮空”状态并读取随机噪声。对于开关，始终使用 INPUT_PULLUP 或外部下拉电阻。
忘记电阻：切勿将 LED 直接连接到输出引脚而不使用限流电阻（例如 220Ω）。这样做可能会烧坏 LED 或损坏 Arduino 引脚。
高电流负载：Arduino 引脚安全地只能提供大约 20mA 的电流。对于需要更高电流的设备，如电机或继电器，您必须使用晶体管（transistor）、MOSFET 或继电器模块来切换更高的电流。

Arduino - I/O 函数

Arduino - 基本 I/O 函数

使用 pinMode() 配置引脚

pinMode() 语法

数字 I/O：使用 HIGH 和 LOW

digitalWrite(pin, value)

digitalRead(pin)